基于扰动观察法的Boost电路实现光伏阵列的MPPT策略

. . 基于扰动观察法的Boost电路实现光伏阵列的MPPT策略朱海勇（东南大学电气工程学院，市玄武区四牌楼2号）Photovoltaic Array MPPT Based on Perturbation and Observation MethodZHU Hai-yong(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Xuanwu Four Arches on the 2nd)5 / 5ABSTRACT:Due to the nonlinear characteristics of photovoltaic array output, in order to increase the output efficiency of photovoltaic power generation system, it needs to be the maximum power point tracking (MPPT), perturbation and observation method is proposed based on the maximum power point tracking method. In the control method for the output power of the photovoltaic judgment based photovoltaic cells by regulating the output voltage, in order to achieve maximum power point tracking.KEYWORDS：pv array power generation; maximum power point tracking; disturbance observation method摘要：由于光伏阵列输出特性具有非线性，为了提高光伏发电系统的输出效率，需要对其进行最大功率点跟踪（MPPT），提出了基于扰动观察法的最大功率点跟踪方法。该控制方法以光伏输出功率的变化为判断依据，通过对光伏电池的输出电压进行调节，从而实现最大功率点跟踪。关键词：光伏阵列发电；最大功率点跟踪；扰动观察法介绍太阳能作为一种无污染、可再生的能源，日益受到人们的关注，光伏发电在未来的供电系统中扮演着重要的角色1。但是，光伏发电由于其核心光伏阵列具有非线性的输出特性，受光照强度、环境温度和负载的影响较大导致输出功率不稳定，发电效率降低。因此如何进一步提高光伏阵列的转换效率，充分利用其转换的能量实现最大功率跟踪，一直是光伏发电系统研究的一项重要课题。由于电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化，为了提高光伏系统的效率，充分利用光伏阵列产生的能量，因此需要光伏阵列的输出始终保持最大，系统要时地跟踪光伏阵列的最大功率点。要解决此问题可在光伏阵列与负载之间加入最大功率点跟踪装置，即MPPT。由于光伏发电系统在拓扑结构、负载特性等方面的差异，光伏阵列最大功率跟踪的方法也多种多样。目前比较常见的控制方法有扰动观察法（Perturbation&Observation，P&O）、恒定电压法（CVT）、电导增量法、模糊逻辑控制法等。光伏电池阵列特性分析在光伏系统中一般要求太阳电池始终输出最大功率,即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。图1 为太阳电池阵列的输出功率特性P2V曲线。由图可知,当太阳电池工作电压小于最大功率点电压Umax时,输出功率随太阳电池端电压V上升而增加;工作电压大于最大功率点电压Umax时,输出功率随V上升而减少。实现最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程,即通过控制太阳电池端电压V,使电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率,不断获得最大功率输出,这就是太阳电池的最大功率跟踪。实现最大功率跟踪有不同的方法,如间歇扫描法、功率回授法、扰动观察法、电导增量法等。比较各种方法,各有所长,笔者觉得电导增量法最大的优点是当太阳电池上的照度产生变化时,其输出端电压能以平稳的方式追随其变化,其电压波动较扰动观察法小,不易引起输出电压振荡,输出功率稳定。图 太阳电池输出功率特性曲线太阳能光伏电池通过半导体材料的光伏效应来产生电能，电池组件的特性随光照辐射强度和电池温度的变化而变化，其输出电流电压数学模型可表示为4：（1）式（1）中，Iph为光生电流(A)，光伏电池单体数量级为10-4A；Io为PN 结反向饱和电流(A)；Rs为串联电阻，阻值很小，一般小于1；Rsh为旁漏电阻，阻值比较高，一般数量级为K；A为二极管品质因子；K为波耳兹曼常数(K=1.3810-23 J/K)；T为绝对温度(K)，T=t+273.15；q为单位电荷数(q=1.610-19C)。设在某光照条件下，光伏电池的开路电压和短路电流分别为Uoc和Isc，将式(1)简化为5：（2）式（2）中：其中，Sref 和Tref 分别为标准参考光照强度和标准参考面板温度，一般取1000W/m2，25；Uoc 和Isc分别为开路电压和短路电流，Um和Im分别为最大功率点电压和电流；为电流变化温度系数，单位为A/；为电压变化温度系数，单位为V/；Rs为串联电阻。对于晶体硅与多晶硅太阳电池，其实测值为=0.00121Isc，=0.005Voc；Rs阻值很小，一般小于16。本文是基于晶澳太阳能公司的光伏电池组件JAMG-6-60-250/SI建立光伏电池模型，其相关参数为Uoc=37.92V，Isc=8.62A，Um=30.96V，Im=8.97A，Pm=250W，电流温度系数=+0.040%/，电压温度系数=-0.300%/。将电流温度系数和电压温度系数通过单位换算成=0.00366A/，=0.11157 V/，RS取0.05。下面利用Matlab软件对上述工程用数学模型进行仿真分析，其仿真模型如以下图所示。扰动观察法的研究扰动观测法的原理就是扰动功率变换器的占空比，引起光伏阵列输出电压的变化，然后通过观测其后的功率变化方向，确定最大功率点（Maximum Power Point，MPP）的位置。该方法的实现与光伏阵列的具体模型不相关。该光伏阵列输出功率特性曲线如图三所示。图中，在MPP左侧，增加（减小）电池电压，导致输出功率同方向变化；在MPP右侧，增加（减小）电池电压，导致输出功率反方向变化。如果功率变化为正，则控制电压保持相同的扰动方向，以达到MPP；如果功率变化为负，则电压扰动方向反向2。在不同光照强度下，光伏电池P- V特性曲线如图所示。由图的光伏电池P-V曲线可以看出，在最大功率点Pmax的两侧，斜率dP/dV的符号不同，其中dP和dV分别代表光伏电池的输出功率和输出电压的变化，扰观察法就是利用以上特性来实现最大功率点跟踪的控制策略。扰动观察法的控制流程和其仿真模型如图和图所示。图 光伏电池功率电压曲线IV基于扰动观察法的MPPT研究目前，最大功率点跟踪控制策略有很多种。本文采用Boost 电路结构调整组建成电导增量法MPPT光伏发电系统的仿真模型，如图六所示。电感L值为8e-5H，电容C值为3e-3F、C2值为4e-3F，负载电阻R值为100。在仿真模型中，PV模块模拟的对象还是晶澳太阳能公司的JAMG-6-60-250/SI光伏电池组件。并采用ode23tb算法，绝对误差允许围可自动调节，从0秒开始仿真，仿真时间设为1秒。图所示为在太阳能电池组件面板温度T=25、光照强度R=1000W/m2时，采用扰动观察算法仿真的光伏发电系统光伏组件的输出电压，输出电流，输出功率仿真波形图。图 光伏组件的输出电压，输出电流，输出功率仿真波形图图所示是在太阳能电池组件面板温度T=25、光照强度R=1000W/m2时，采用电导增量算法仿真的光伏发电系统光伏组件的输出功率和负载得到的功率仿真波形对比图。从对比上可以看出,在开始的一段时间里系统的振荡较大，之后系统趋于稳定。光伏发电系统能够在最短时间对MPP并对其进行跟踪，跟踪耗时约为0.024S。图 负载两端电压仿真波形图图 光伏阵列Simulink模型图 基于扰动观察法的MPPT仿真模型图图 光伏系统MPPT仿真模型图V结论本文利用Matlab搭建光伏电池阵列模型，将其仿真实验结果与实际情况相比较，验证了此光伏电池阵列模型的正确性。再通过Boost电路连接组建成基于扰动观察法MPPT光伏发电系统的仿真模型，结果说明该仿真系统能较好地完成对最大功率点跟踪的工作，但在稳态特性方面存在较大的振荡，有待进一步改进。本文在模型搭建中，仿真模块都是分别封装的，可根据工程的实际需求进行改装与替换。参考文献1雷元超，春根，骏，等.光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究J.电工电能新技术，2004，23(03)：76-80.2YANG C, SMEDKEY K M. A cost effective single-stage inverter with maximum power point trackingJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(05)：1289-1294.3 KWON M, KWOWB H K, NAM K H. Three phase photovoltaic system with three -level boosting MPPT control J. IEEE Transactions on Power Electronics,2008，23(05)：2319-2327.4傅望，周林，郭珂，等.光伏电池工程用数学模型研究J.电工技术学报，2011，26(10)：211-216.5建徽，余世杰，为，等.硅太阳电池工程用数学模型J.太阳能学报，2001，22(04)：409-412.6Platon Baltas, Marine Tortoleli, Paul E Russel.Photovoltaic Designer ASPVD Z.Arizona State University,Dept. of Electrical and Computer Engineering,1988.7鹰，康龙云，朱洪波，等.一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法J.电气传动，2010，40(12)：35-39.8徐明亮，唐玉兰，徐德云.在线扰动优化光伏MPPT 模糊控制器J.计算机工程与应用，2012，48(01)：216-218.9Neil S.DSouza, Luiz A.C.Lopes, XueJun Liuparative study of variable size perturbation and observation maximum power point trackers for PV systems J.Electric Power Systems Research，2010，(80)：296-305.10汤济泽，王丛岭，房学法.一种基于电导增量法的MPPT 实现策略J. 电力电子技术，2011，45(04)：73-75.11 H.Chang and Y. S. Lai，AC driver and protection circuits for light emitting diode，Patent pending，July，2007.12 YEN H-H.，YEH W.-Y.，KUO H-C GaN alternating current light-emitting device，Phys. Status Soidi A，2007，204（6）：2077-2081.13 I.H.Oh，A single-stage power converter for a large screen LCD back-lighting， Proc.of IEEE APEC，2006：1058-1063.14 孔娟.太阳能光伏发电系统的研究D.：大学硕士论文，2006：19.15 罗运俊，何梓年，王长贵，等.太阳能利用技术M.：化学工业，2005，1.